隨著超大規(guī)模集成電路（Very Large Scale Integration VLSI）工藝技術(shù)的發(fā)展，芯片的規(guī)模越來越大，集成規(guī)模以摩爾定律增長?，F(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）由于兼具可編程邏輯器件的現(xiàn)場可編程的靈活性，以及門陣列器件集成度高的優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)被廣泛采用。同時(shí)，ASIC技術(shù)的不斷完善以及功能強(qiáng)大的EDA軟件開發(fā)平臺的出現(xiàn)，使得FPGA器件在現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)和微電子技術(shù)應(yīng)用中起著越來越重要的作用。近幾年來，Xilinx等公司推出了內(nèi)部嵌入存儲器、微處理器的FPGA器件，使得這種器件的應(yīng)用更顯其優(yōu)越性；但在某些應(yīng)用場合如數(shù)據(jù)采集時(shí)，需要將采集到的數(shù)據(jù)傳送給PC機(jī)，然后由PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這時(shí)就要借助單片機(jī)來完成。因此，有必要在FPGA器件中設(shè)計(jì)一種通信接口電路，以使設(shè)計(jì)的應(yīng)用系統(tǒng)具備通信功能。由于SCI通信接口電路具有結(jié)構(gòu)相對簡單、易于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，因此本文以SCI接口電路為例介紹基于FPGA器件實(shí)現(xiàn)的接口電路IP核的設(shè)計(jì)。

SCI接口電路結(jié)構(gòu)

SCI接口端口映射

SCI的端口映射如圖1所示，共有20個(gè)端口，各端口的功能為：

SCI接口結(jié)構(gòu)框圖

為SCI接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要包括以下單元：

發(fā)送器（TX）及其控制與狀態(tài)寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器（TXBUF0…7）包含SCI接口要發(fā)送的數(shù)據(jù)；發(fā)送移位寄存器（TXSHF）；發(fā)送狀態(tài)寄存器位（TXRDY、TXEMPT）；發(fā)送控制寄存器位（TINTENA、TXENA）。

接收器（RX）及其控制與狀態(tài)寄存器。接收數(shù)據(jù)緩沖寄存器（RXBUF0…7）包含SCI接口從SCIRXD接收到的數(shù)據(jù)；接收移位寄存器（RXSHF）；接收狀態(tài)寄存器位（RXRDY）；接收控制寄存器位（RINTENA、RXENA）。

可編程波特率發(fā)生器。由波特率高byte寄存器和波特率低byte寄存器組成，可得到64k種不同的位傳輸速率。當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為10MHZ時(shí)，其位傳輸速率為19.07～625.0kb/s。寄存器地址譯碼器。寄存器地址譯碼器負(fù)責(zé)對ADDR0…ADDR2進(jìn)行譯碼，確保能讀/寫SCI中相應(yīng)的寄存器。其與RD和WR配合完成對SCI內(nèi)部各寄存器的讀/寫操作。

工作原理

數(shù)據(jù)傳輸格式

為簡化設(shè)計(jì)，SCI以固定的串行數(shù)據(jù)格式傳送數(shù)據(jù)，采用NRZ幀格式對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，一個(gè)數(shù)據(jù)由1bit起始位、8bit數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止bit共10bit組成。為確保采樣到的數(shù)據(jù)位可靠，選取每位數(shù)據(jù)包含8個(gè)SCICLK周期。

波特率的產(chǎn)生

SCI內(nèi)部的串行時(shí)鐘（SCICLK）由系統(tǒng)時(shí)鐘SCLK與波特率寄存器共同決定。通過16bit波特率選擇寄存器，可以為內(nèi)部串行時(shí)鐘提供64k種不同的傳輸速率，其計(jì)算公式為：

Baud=SCLK/［（BRR+1）*8］其中BRR為16bit波特率選擇寄存器的值。

SCI異步通信

如前所述，在異步通信模式下一幀數(shù)據(jù)包含一個(gè)起始bit、8個(gè)數(shù)據(jù)bit、一個(gè)停止bit。每個(gè)數(shù)據(jù)位占用8個(gè)SCICLK周期。

接收數(shù)據(jù)時(shí)序

接收器在收到有效的起始位后開始操作，有效的起始位由連續(xù)的0電平組成，長度為4個(gè)連續(xù)的內(nèi)部SCICLK周期。對于起始位后的各位，接收器通過對該位的中間進(jìn)行3次采樣來決定位值，采用在第4、第5、第6個(gè)SCICLK周期，位值取決于多數(shù)采樣點(diǎn)的值。數(shù)據(jù)從SCIRXD進(jìn)入RXSHF，移位進(jìn)入RXBUF寄存器，并產(chǎn)生中斷請求，RXDRDY置1，表示已經(jīng)接收到新字符］。接收一幀數(shù)據(jù)的時(shí)序如圖3所示。

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)序

發(fā)送器與接收器工作原理基本相同，在TXDRDY為低時(shí)，向發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖寄存器寫入一個(gè)數(shù)據(jù)后啟動(dòng)發(fā)送；然后數(shù)據(jù)進(jìn)入TXSHF，同時(shí)TXDRDY為高，表示TXBUF可以寫入新值，并產(chǎn)生一個(gè)中斷請求。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)序如圖4所示。

VerilogHDL實(shí)現(xiàn)

狀態(tài)機(jī)嵌套模型

由于SCI接口牽涉到復(fù)雜的狀態(tài)機(jī)描述，需要采用有限狀態(tài)機(jī)的嵌套，形成樹狀的控制邏輯。這一點(diǎn)和所提倡的層次化、結(jié)構(gòu)化的自頂向下的設(shè)計(jì)方法相吻合。圖5是一種簡單的狀態(tài)機(jī)嵌套模型。

采樣一位數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)

接收數(shù)據(jù)起始位檢測狀態(tài)機(jī)

仿真結(jié)果

由圖7仿真波形可知，采樣一位數(shù)據(jù)的狀態(tài)機(jī)在數(shù)據(jù)位的第4、5、6個(gè)內(nèi)部sclk時(shí)鐘進(jìn)行。位值由多數(shù)采樣的值決定，圖中rxd在第4、5、6圖7采樣一位數(shù)據(jù)的仿真波形個(gè)sclk時(shí)的值為1，故dok在第8個(gè)sclk時(shí)鐘輸出1，表示此次采樣的一位數(shù)據(jù)為1。

圖7采樣一位數(shù)據(jù)的仿真波形

結(jié)論

SCI接口電路由VerilogHDL語言描述，可讀性好，便于修改與測試，可方便地嵌入到用戶的FPGA系統(tǒng)。利用Xilinx公司的Spartan ⅡFPGAXC2S100成功地實(shí)現(xiàn)了FPGA與PC機(jī)的串行通信。如在此基礎(chǔ)上增加其它的控制寄存器，則可設(shè)計(jì)出功能更為完善的SCI接口電路。